JP4807357B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池へアノードガス（水素ガス）を供給するシステムにおいて、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを再度アノードへ供給するアノード循環系が用いられている。このようなシステムにおいて、特開２００３−３１７７６６号公報には、燃料電池内で水詰まりが発生した場合に、パージ弁を開くことで水詰まりを解消する技術が開示されている。
特開２００３−３１７７６６号公報

しかしながら、特開２００３−３１７７６６号公報に開示された技術では、燃料電池内の水詰まりを解消するために、エジェクタ等の部品、および配管等を新たにシステムに追加する必要がある。このため、システムの製造コストが増大するという問題がある。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、簡素な構成により燃料電池内からの水分排出量を増加させることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記アノードガスを供給・排出するアノード系流路において、前記燃料電池の下流に設けられた排出弁と、
前記アノード系流路内のガス圧力を昇圧する昇圧手段と、
前記アノード系流路内の不純物濃度を検知又は推定し、当該不純物濃度が所定値に達した場合に前記排出弁を所定期間開弁する排気処理手段と、
前記排気処理手段を実行する場合に、前記排出弁を開いている期間の少なくとも一時期に、前記ガス圧力が通常時よりも昇圧するように前記昇圧手段を操作する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記排出弁を開いた時点から前記昇圧手段による昇圧を開始することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記制御手段は、前記排出弁を開いている最中に、前記昇圧手段による昇圧の目標値を徐々に低下させることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記アノード系流路は、
アノードガス供給源から前記アノードにアノードガスを導入するアノードガス流路と、
前記アノードからアノードオフガスを排出するアノードオフガス流路と、を含み、
前記昇圧手段は、
前記アノードガス流路内のアノードガスの一次圧を目標圧の二次圧に調圧するレギュレータを備え、
前記レギュレータの開度を通常時よりも一時的に大きくすることを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、
前記アノードガス流路のガス圧力を検出する圧力センサを更に備え、
前記昇圧手段は、前記アノードガス流路のガス圧力が昇圧の目標値となるように前記レギュレータの開度を調整することを特徴とする。

第５の発明は、第３又は４の発明において、
前記アノード系流路はガス循環系であり、
前記アノードオフガス流路から前記アノードガス流路にアノードオフガスを導入する循環装置を更に備えることを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、
前記ガス循環系内のガスから水分を捕集する気液分離器を更に備え、
前記排出弁は、前記気液分離器に接続され、前記気液分離器に捕集された水分を排出する機能及び前記ガス循環系内のガスを排気する機能を共に有することを特徴とする。

第７の発明は、第５または６の発明において、
前記レギュレータは、
前記アノードガス流路の前記アノードオフガス導入部上流に配置されることを特徴とする。

第８の発明は、第１または第２の発明において、
前記排出弁は、
主としてガスを排気するための排気弁と、
主として水分を排水するための排水弁と、を含み、
前記排気処理手段は、前記不純物濃度が所定値に達した場合に前記排気弁を所定期間開弁し、
前記制御手段は、前記排気弁を開いている期間の少なくとも一時期に、前記ガス圧力が通常時よりも昇圧するように前記昇圧手段を操作することを特徴とする。

本発明によれば、昇圧手段によりガス流路内のガス圧力を通常時よりも昇圧した状態で、或いは昇圧の開始と同時に排出弁を開くため、燃料電池内のガス流量、流速を増加することができ、燃料電池内に溜まった水分の排出量を増加させることが可能となる。従って、燃料電池内に水分が滞留することを抑止できる。これにより、水分の滞留に起因して燃料電池の発電効率が低下してしまうことを抑止することができる。また、アノードガスを水素タンクから供給するシステムでは、昇圧手段として水素ボンベの下流に設けられる可変レギュレータを利用することができるため、システムに新たに部品を追加することなく、燃料電池内の水分を排出することができる。

また、特に第１の発明によれば、排出弁を開いた時点から昇圧手段による昇圧を開始するため、燃料電池の上流側では昇圧手段によりガス圧力が増加し、燃料電池の下流側では排出弁を開くことによりガス圧力が低下するため、燃料電池の入口と出口における圧力差を大きくすることができる。従って、燃料電池内の水分の排出量を増加させることが可能となる。

また、特に第２の発明によれば、排出弁を開いている最中に、昇圧手段による昇圧の目標値を徐々に低下させるため、ガス流路に急激な圧力変化が生じることを抑止できる。従って、昇圧による燃料電池への負担を軽減することができ、燃料電池の信頼性、耐久性を向上することが可能となる。

また、特に第６の発明によれば、気液分離器に設けた排出弁によってガス循環系からの排水及びガス循環系からの排気の双方を行うことができる。従って、システムを構成する部品点数を削減することができ、製造コストを大幅に低減することができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池（ＦＣ）１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が接続されている。アノードガス流路１４は高圧の水素ガスが充填された水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路１６にはポンプ２０が設けられており、ポンプ２０の駆動によりカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。

アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２４に送られる。アノードガス流路２４には、ポンプ２２が設けられており、アノードから排出されたアノードオフガスは、ポンプ２２の駆動により再びアノードガス流路１４へ戻される。これにより、アノード系流路に循環系が形成される。アノードガス流路１４に戻されたアノードオフガスは、水素タンク１８から供給される水素と共に再度アノードへ送られる。これにより、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を燃料電池１２内で反応させることができ、水素の利用効率を高めることができる。

アノードオフガス流路２４には、アノードオフガス中の水分を捕集する気液分離器２６が設けられている。気液分離器２６には排水弁３８が接続されている。気液分離器２６に捕集されたアノードオフガス中の水分は、排水弁３８を開くことで排出される。

気液分離器２６の下流において、アノードオフガス流路２４には排気弁２８が接続されている。アノードオフガス流路２４→アノードガス流路１４→燃料電池１２の経路からなるアノード循環系に窒素（Ｎ２）等の不純物成分が多く含まれる場合は、排気弁２８を間欠的に開くことでパージを行い、これらの成分を流路３６に排出する。

具体的には、アノード循環系の不純物濃度を検出または推定し、不純物濃度が所定値以上となった場合は、排気弁２８を間欠的に開き、アノードオフガスとともにこれらの不純物を排出する。このように、排気弁２８を間欠的に開くことで、アノードオフガス中の未反応の水素の排出を最小限に抑えることができる。

また、燃料電池１２の出力（電圧値、電流値）は、アノード循環系に含まれる窒素等の不純物が多くなると低下するため、燃料電池１２の出力をモニタしておき、出力が所定の基準値よりも低下した場合に、排気弁２８を開いて不純物を排出するようにしても良い。

一方、カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路３０を通り、最終的にはマフラー３２から排出される。カソードオフガス流路３０には、カソード内の圧力を調整する制御弁３１が設けられている。カソードオフガス流路３０において、マフラー３２の上流には希釈器３４が設けられている。希釈器３４には流路３６が接続されており、窒素等の不純物とともに排気弁２８から排出されたアノードオフガス中の水素は、希釈器３４で希釈されて外部に排出される。

アノードガス流路１４には、水素タンク１８の下流にレギュレータ４６が設けられている。レギュレータ４６は、燃料電池１２の入口におけるアノードガスの圧力を要求される適正圧力に調圧するものである。レギュレータ４６は、高周波で駆動し、開弁時間が連続的に変更可能な電磁弁、ガス流路のガスが通過する開度面積を変更可能な電磁弁（可変オリフィス）、或いはダイヤフラム弁を有し、ダイヤフラムの動きを変更可能なバルブであってもよい。

また、アノードガス流路１４には、レギュレータ４６の下流に圧力センサ４２が接続されている。更に、アノードオフガス流路２４には、排気弁２８との接続部の下流に圧力センサ４４が接続されている。圧力センサ４２は燃料電池１２の入口におけるアノードガスの圧力（入口圧力Ｐ１）を検出し、圧力センサ４４は燃料電池１２の出口におけるアノードオフガスの圧力（出口圧力Ｐ２（排気弁２８の１次圧））を検出する。

図１に示すように、本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、システムの運転状態を把握すべく、上述した圧力センサ４２，４４に加え、燃料電池１２の出力（電圧値、電流値）などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されている。また、ＥＣＵ４０には、上述したレギュレータ４６、排水弁３８、排気弁２８などが接続されている。

上述したように、燃料電池１２が電力を発生するとカソードで水が生成されるが、カソードで生成された水の一部は燃料電池１２内でアノード側へ透過する。そして、アノードに透過した水分が燃料電池１２内に滞留すると、燃料電池１２の発電効率が低下する場合がある。

このため、本実施形態では、燃料電池１２内に溜まった生成水を排出するため、所定の場合に排気弁２８を開くことでアノード循環系のガス流量、流速を高め、生成水を燃料電池１２内からアノードオフガス流路２４に排出するようにしている。

燃料電池１２内に生成水が滞留すると、電解質膜へのアノードガスの供給に支障が生じるため、燃料電池１２の出力（電圧値、電流値）が低下する。従って、燃料電池１２内の水分の排出を目的として排気弁２８を開く場合においても、燃料電池１２の出力に基づいて制御を行うことができ、例えば、燃料電池１２の出力が所定値以下となった場合は、排気弁２８を開くことで燃料電池１２内に滞留した生成水を排出することが好適である。

そして、燃料電池１２内から生成水を排出する際には、排気弁２８の開弁タイミングと同期してレギュレータ４６の開度を通常よりも一時的に大きくすることで、燃料電池１２に送られるアノードガスの圧力を通常時よりも昇圧するようにしている。これにより、アノードガスの流量、流速が増加し、燃料電池１２内の生成水を短時間で排出することが可能となる。従って、燃料電池１２内に滞留した水分による発電効率の低下を抑えることができ、システム効率、燃費を向上することが可能である。

アノードガスの圧力を昇圧しない場合は燃料電池１２内の水分を排出するために排気弁２８を長時間開く必要があるが、本実施形態の方法によれば、アノードガスの圧力を昇圧することでアノードガスの流量、流速を増加することができるため、燃料電池１２内から生成水を排出する際の排気弁２８の開弁時間を最小限に抑えることができる。従って、アノードオフガス中の未反応の水素が流路３６から排出される量を最小限に抑えることが可能となり、システム効率、燃費の低下を抑止できる。

また、アノードガスを昇圧することなくパージを行った場合は、燃料電池１２内の水分を排出するためにより多い流量のアノードオフガスを排気する必要があり、排気流量に対応した大型の排気弁２８が必要となる。しかし、本実施形態では、アノードガスを昇圧することにより、排気の流速を高めることができるため、排気弁２８を小型化した場合であっても所望の排気流量を確保することができる。従って、アノードオフガスの昇圧を行わない場合と比べると、排気弁２８をより小型化することが可能となり、排気弁２８の搭載スペースを縮小するとともに、部品コストを低減することができる。

また、燃料電池１２内から生成水を排出する場合のみ、レギュレータ４６によりアノードガスの圧力を昇圧するため、燃料電池１２に常時高圧のアノードガスが送られることがなく、燃料電池１２の信頼性、耐久性の低下を抑止することが可能である。

更に、燃料電池システム１０が通常備えているレギュレータ４６を使用してアノードガスの昇圧を行うため、昇圧のために新たな部品を追加する必要がない。従って、製造コストを上昇することなく、燃料電池１２内の水分を排出するシステムを構築できる。

図２は、排気弁２８の開弁タイミングと、圧力センサ４２，４４で検出された入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２との関係を示すタイミングチャートである。ここで、図２（Ａ）は、本実施形態の方法により、排気弁２８を開くタイミングに合わせてアノードガスの圧力を昇圧した場合を示している。また、図２（Ｂ）は、比較のため、排気弁２８を開いた際にアノードガスの圧力を昇圧せずに、通常時の圧力を維持した場合を示している。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２を実線で示している。また、本実施形態では、入口圧力Ｐ１の目標値（目標入口圧力）に基づいてレギュレータ４６の開度を調整することとしており、図２（Ａ）において、目標入口圧力は入口圧力Ｐ１とともに破線で示されている。図２に示すように、燃料電池１２内では圧力損失が発生するため、出口圧力Ｐ２は入口圧力Ｐ１に比べて低くなる。

図２に示すように、通常運転時は目標入口圧力がＰ０に設定され、入口圧力Ｐ１が圧力Ｐ０に制御される。目標入口圧力は、燃料電池１２の出力、燃料電池１２の温度など、システムの運転条件に応じて決定され、排気弁２８の開弁時以外は、一定値Ｐ０に調節される。より詳細には、圧力Ｐ０は燃料電池１２の運転が十分可能な範囲でより低い圧力に調整される。これにより、アノードガスの圧力による燃料電池１２の負担を抑えることができ、燃料電池１２内における水素ガスのクロスリークを抑えるとともに、燃料電池１２内の電解質膜の耐久信頼性を高めることが可能である。

図２に示すように、燃料電池１２内の生成水を排出するため、排気弁２８は時刻ｔ１で開かれ、時刻ｔ２で閉じられる。そして、図２（Ａ）に示す本実施形態の方法では、排気弁２８を開く時刻ｔ１よりも以前の時刻ｔ０の時点で、目標入口圧力がＰ０よりも大きな値に昇圧される。これにより、時刻ｔ０の時点でレギュレータ４６の開度が一時的に通常時よりも大きく設定され、時刻ｔ０以降、入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２はともに上昇する。そして、入口圧力Ｐ１はやがて昇圧された目標入口圧力に到達する。

入口圧力Ｐ１が目標入口圧力に到達した後、時刻ｔ１の時点で排気弁２８が開かれる。この際、燃料電池１２の入口側では、レギュレータ４６の設定圧が通常時よりも高く設定されており、また燃料電池１２内では圧力損失が生じ、燃料電池１２内はバッファ空間であり、且つガスが通過する際には抵抗となるため、時刻ｔ１で排気弁２８が開かれた直後においては、昇圧された入口圧力Ｐ１が直ちに低下することはなく、入口圧力Ｐ１が昇圧された状態が継続している。

一方、燃料電池１２の出口においては、排気弁２８が開かれることでアノードオフガス流路２４が大気側に開放されるため、排気弁２８の出入口差圧が増加し、アノードオフガスの排出流量が増加する。これにより、アノードオフガス流路２４内の圧力が急激に低下する。

従って、時刻ｔ１で排気弁２８を開いた直後は、入口圧力Ｐ１の低下割合に比べて出口圧力Ｐ２の低下割合が大きくなる。このため、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との圧力差ΔＰ１２が大きくなり、燃料電池１２内におけるガスの流量、流速を増大することが可能となる。これにより、燃料電池１２内のアノードガスの経路に生成水が滞留している場合は、流量、流速が増大されたガス流により、生成水を瞬時にアノードオフガス流路２４へ排出することができる。これにより、燃料電池１２内における生成水の滞留に起因した発電効率の低下を確実に抑止することが可能となる。

時刻ｔ２で排気弁２８を閉じると、目標入口圧力がＰ０に設定され、レギュレータ４６の開度が通常時の状態に戻される。そして、時刻ｔ２以降は入口圧力Ｐ１が圧力Ｐ０に制御される。

ここで、燃料電池システムにおいては、電解質膜によるクロスリークを低下させてガス利用効率を向上するため、または燃料電池スタック内の膜の耐久信頼性を向上するためには、燃料電池内に供給する水素ガスの圧力を可能な限り低減することが望ましい。しかしながら、ガス圧力を低下すると、アノードガス圧と外気圧との差圧が小さくなり、排出弁を開いた時に排出流量が低減する。そのため、燃料電池の入口と出口における差圧が小さくなって、燃料電池内に水分が滞留し易くなり、燃料電池からの排水性が低下するという問題がある。従って、燃料電池の効率、耐久信頼性の向上と、排水性の向上とを同時に達成することは困難である。

このような課題を解決するために、本実施形態の方法では、燃料電池１２内の水分を排出する場合にのみアノードガスの圧力を昇圧することとしているため、通常時にはアノードガス圧力を低下した状態でシステムを運転することができる。従って、燃料電池１２からの排水性を高めるために通常時のアノードガス圧力を高めに設定しておく必要がなく、燃料電池１２内におけるクロスリークの発生を抑えることができ、システムの効率を高めることができる。また、通常時のアノードガス圧力を低下させておくことで、燃料電池１２のアノードとカソードとの差圧、及びアノードと外気圧との差圧を低減することができ、燃料電池１２の信頼性、耐久性を向上することが可能である。

一方、図２（Ｂ）の特性では、目標入口圧力は常に一定値Ｐ０とされ、排気弁２８の開弁時に入口圧力Ｐ１が昇圧されていないため、排気弁２８からの流速が遅いため、入口圧力Ｐ１および出口圧力Ｐ２は排気弁２８の開弁とともに低下し、時刻ｔ１以降の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の低下割合は同程度となる。従って、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との差圧ΔＰ１２は図２（Ａ）の場合に比べて小さくなる。このため、燃料電池１２内のガス流量、流速は図２（Ａ）の場合よりも低下し、燃料電池１２内に滞留した生成水を確実に排出することはできない。

従って、本実施形態によれば、排気弁２８を開く際に入口圧力Ｐ１を昇圧することで、燃料電池１２内に滞留した生成水を確実に排出することが可能となり、発電効率の低下を確実に抑止できる。

図３は、目標入口圧力を図２とは異なる方法で設定した例を示すタイミングチャートである。図３（Ａ）では、時刻ｔ１までの入口圧力Ｐ１の昇圧は図２（Ａ）と同様に行い、時刻ｔ１から所定時間Ｔが経過した後、目標入口圧力をＰ０よりも高い所定値まで低下させ、更に、時刻ｔ２の時点で目標入口圧力をＰ０に復帰させることで、時刻ｔ１以降に目標入口圧力を２段階に低下させている。上述したように出口圧力Ｐ２は排気弁２８の開弁とともに低下し、燃料電池１２内のガス流量、流速は排気弁２８を開いた直後に最も大きくなるため、時刻ｔ１から所定時間Ｔが経過した後に目標入口圧力を低下した場合であっても、所定時間Ｔの間に燃料電池１２からの排水を行うことができる。また、排気弁２８の開弁により入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２は時間の経過に伴って必然的に低下するため、目標入口圧力を低下させても支障はない。従って、図３（Ａ）の方法によれば、排気弁２８を開いた後、目標入口圧力を短時間で低下させることにより、燃料電池１２内のガス圧力が昇圧されている時間を最小限に抑えることができ、クロスリークの発生を抑えるとともに、燃料電池１２の信頼性、耐久性を高めることが可能となる。また、２段階で目標入口圧力を変化させるため、排気弁２８の開弁後の圧力変化が緩やかになり、燃料電池１２への急激な圧力変化を抑えることができるため、圧力変化に起因する燃料電池１２への機械的負荷の発生を抑止できる。

また、図３（Ｂ）は、昇圧時に目標入口圧力を所定の割合で徐々に増加させ、排気弁２８が開かれる時刻ｔ１の時点で入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２を最大とするものである。また、時刻ｔ１以降は目標入口圧力を徐々に低下させ、排気弁２８が閉じられる時刻ｔ２の近傍で目標入口圧力をＰ０に復帰させる。この場合、昇圧時に急激な圧力変化が生じないため、燃料電池１２への機械的負荷が低減でき、目標入口圧力のピーク値をより高く設定することができる。これにより、排気弁１８の開弁直後の初期排気流量を増加させることができ、出口圧力Ｐ２の圧力降下をより大きくすることができる。従って、差圧ΔＰ１２がより大きくなり、燃料電池１２内のガス流量、流速を増大することができるため、燃料電池１２内に滞留する水分を短時間で確実に排出することができる。また、時刻ｔ１以降は目標入口圧力を徐々に低下させるため、排気弁２８の開弁期間における燃料電池１２内のガスの昇圧を最小限に抑えることができ、クロスリークの発生を抑えるとともに、燃料電池１２の信頼性、耐久性を高めることが可能となる。また、図３（Ａ）の場合と同様に、排気弁２８の開弁後の圧力変化を緩やかにすることができるため、燃料電池１２への急激な圧力変化を抑えることができ、圧力変化に起因する燃料電池１２への機械的負荷の発生を抑止できる。

また、図３（Ｃ）は、排気弁２８を開く時刻ｔ１の時点から目標入口圧力を上昇させるものである。これにより、時刻ｔ１以降に入口圧力Ｐ１が上昇し、出口圧力Ｐ２は排気弁２８からの排気で低下する。従って、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２の差圧ΔＰ１２を増加することができ、燃料電池１２内のガス流量、流速を増大することができる。これにより、燃料電池１２内に滞留する生成水を確実に排出することが可能となる。

以上説明したように実施の形態１によれば、排気弁２８を開弁する際に、レギュレータ４６の開度を調整してアノードガスの圧力を昇圧するようにしたため、燃料電池１２の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との差圧ΔＰ１２を増加することができる。従って、燃料電池１２内におけるアノードガスの流量、流速を増加することができ、燃料電池１２内に滞留している水分を確実に排出することが可能となる。これにより、燃料電池１２内の生成水の滞留に起因して発電効率が低下してしまうことを抑止できる。

ところで、上述した実施の形態１においては、水素の利用効率を高めるためにアノードオフガスを再度アノードに循環させるガス循環系のシステムにおいて本発明を実行することとしているが、使用される燃料電池システムはこれに限られない。すなわち、デットエンド型の燃料電池システムにおいて、アノードオフガス流路に設けられた排出弁を開閉することにより本発明を実行することとしてもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。図４は、実施の形態２に係る燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。図４に示すように、実施の形態２のシステムでは、気液分離器２６に排気排水弁４８が接続されている。そして、排気排水弁４８は、流路５０を介して希釈器３４と接続されている。排気排水弁４８は、アノード循環系内から水分と窒素等の不純物ガスの双方を排出する機能を有している。従って、図４のシステムでは、図１における排気弁２８は設けられていない。実施の形態２のシステムの他の構成は実施の形態１と同様である。

実施の形態２では、アノード循環系に窒素（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）等の不純物成分が多く含まれる場合は、排気排水弁４８を間欠的に開くことで、これらの成分を流路５０へ排出する。アノード循環系の窒素、水分を排出する際には、実施の形態１と同様に、アノード循環系の不純物濃度が所定値以上となるのを避けるため、または燃料電池１２の出力が所定の基準値よりも低下することを避けるために排気排水弁４８が開かれる。排気排水弁４８が開かれると、先ず気液分離器２６に捕集された水分が流路５０に排出され、その後、アノードオフガス流路２４内のアノードオフガスが流路５０に排気される。流路５０に排出されたアノードオフガスは、実施の形態１と同様に希釈器３４で希釈され、マフラー３２へ送られる。

このように、実施の形態２では、排気排水弁４８にアノードオフガス中の水分と不純物ガスの双方を排出する機能を持たせているため、１つの排気排水弁４８を設けるのみで、アノードオフガスに含まれる水分と不純物ガスの双方を排出することができる。従って、システムを構成する部品点数を最小限に抑えることができ、製造コストを低減することが可能となる。

そして、実施の形態２においても、燃料電池１２内に滞留している水分を排出する場合は、レギュレータ４６の制御によりアノード循環系内のガス圧力を昇圧した状態で、排気排水弁４８が開かれる。これにより、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との差圧ΔＰ１２により、燃料電池１２内に滞留している水分をアノードオフガス流路２４へ排出することができる。実施の形態１と同様に、燃料電池１２内に水分が滞留しているか否かの判定は、燃料電池１２の出力に基づいて行うことができる。

図５は、排気排水弁４８の開弁タイミングと、圧力センサ４２，４４で検出された圧力値との関係を示すタイミングチャートである。実施の形態１と同様に、時刻ｔ０の時点で目標入口圧力が昇圧される。そして、入口圧力Ｐ１が昇圧した目標入口圧力に到達した後、すなわちアノードオフガスの昇圧が完了した後、時刻ｔ１の時点で排気排水弁４８が開かれる。

排気排水弁４８が開かれると、先ず、気液分離器２６に捕集された水分が流路５０に排出される。そして、気液分離器２６内に捕集された水分の排出が終了すると、続いてアノードオフガスが排気排出弁４８から流路５０に排出される。

図５において、時刻ｔ３は気液分離器２６からの水分の排出が終了した時刻を示している。このように、時刻ｔ１からｔ３までの間は、気液分離器２６内の水分が流路５０に排出されており、アノード循環系からガスが排出されないため、入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２の値は昇圧された状態から変化しない。そして、時刻ｔ３を過ぎると、アノードオフガスが流路５０に排出されるため、入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２が変化する。すなわち、実施の形態２では時刻ｔ３以降にアノードオフガスが排出されることになり、アノードオフガスが排出される時刻に着目すると、実施の形態２の時刻ｔ３は実施の形態１の時刻ｔ１に対応している。

時刻ｔ３では、入口圧力Ｐ１が昇圧されており、出口圧力Ｐ２が排気排出弁４８からの排気で低下するため、実施の形態１と同様の理由で入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との差圧ΔＰ１２が大きくなる。従って、実施の形態１と同様に、燃料電池１２内のガス流量、流速を高めることができ、燃料電池１２内に滞留している水分をアノードオフガス流路２４に排出することができる。これにより、生成水の滞留に起因した燃料電池１２の発電効率の低下を確実に抑止することが可能となる。

なお、時刻ｔ３以降は出口圧力Ｐ２が低下するため、時刻ｔ３が到来したか否かの判定は出口圧力Ｐ２に基づいて行うことができる。従って、例えば時刻ｔ３から所定時間が経過した後に排気排水弁４８を閉じる制御を行う場合は、出口圧力Ｐ２に基づいて時刻ｔ３の到来を判定することが好適である。また、時刻ｔ３で流路５０へ排気が行われると、流路５０内のガス圧力が急激に上昇するため、流路５０内のガス圧力を検出するセンサを設けておき、このセンサの検出値に基づいて時刻ｔ３の到来を判断しても良い。

実施の形態２においても、実施の形態１の図３と同様に、目標入口圧力の制御を可変することができる。この際、上述したように実施の形態２の時刻ｔ３は実施の形態１の時刻ｔ１に対応するため、例えば図３（Ａ）のように目標入口圧力を制御する場合は、時刻ｔ３から所定時間Ｔが経過した後に目標入口圧力を低下させれば良い。また、図３（Ｂ）の制御を行う場合は、時刻ｔ３で目標入口圧力がピーク値となるように制御を行い、図３（Ｃ）の制御を行う場合は、時刻ｔ３以降に目標入口圧力を増加させることが好適である。

以上説明したように実施の形態２によれば、水分と不純物ガスの双方を排出する機能を持つ排気排出弁４８を備えたシステムにおいて、排気排水弁４８を開弁する際に、レギュレータ４６の開度を調整してアノードガスの圧力を昇圧するようにしたため、燃料電池１２の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との差圧ΔＰ１２を増加することができる。従って、燃料電池１２内におけるアノードガスの流量、流速を増加することができ、燃料電池１２内に滞留している水分を確実に排出することが可能となる。これにより、燃料電池１２内の生成水の滞留に起因して発電効率が低下してしまうことを抑止できる。

［その他］
尚、以下の発明においても課題を解決することが可能となる。

アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記アノードガスを供給するガス循環系において、前記燃料電池の下流に設けられた排出弁と、
前記ガス循環系において前記燃料電池の上流に設けられ、前記ガス循環系内のガス圧力を昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段により前記ガス圧力を通常時よりも昇圧して、前記排出弁を開く制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。 排気弁の開弁タイミングと、入口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２との関係を示すタイミングチャートである。 目標入口圧力を図２とは異なる方法で設定した例を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 排気排水弁の開弁タイミングと、圧力センサで検出された圧力値との関係を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１４ アノードガス流路
２４ アノードオフガス流路
２６ 気液分離器
２８ 排気弁
４０ ＥＣＵ
４６ レギュレータ
４８ 排気排水弁

Claims (8)

1. アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に前記アノードガスを供給・排出するアノード系流路において、前記燃料電池の下流に設けられた排出弁と、
   前記アノード系流路内のガス圧力を昇圧する昇圧手段と、
   前記アノード系流路内の不純物濃度を検知又は推定し、当該不純物濃度が所定値に達した場合に前記排出弁を所定期間開弁する排気処理手段と、
   前記排気処理手段を実行する場合に、前記排出弁を開いている期間の少なくとも一時期に、前記ガス圧力が通常時よりも昇圧するように前記昇圧手段を操作する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記排出弁を開いた時点から前記昇圧手段による昇圧を開始することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記排出弁を開いている最中に、前記昇圧手段による昇圧の目標値を徐々に低下させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記アノード系流路は、
   アノードガス供給源から前記アノードにアノードガスを導入するアノードガス流路と、
   前記アノードからアノードオフガスを排出するアノードオフガス流路と、を含み、
   前記昇圧手段は、
   前記アノードガス流路内のアノードガスの一次圧を目標圧の二次圧に調圧するレギュレータを備え、
   前記レギュレータの開度を通常時よりも一時的に大きくすることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記アノードガス流路のガス圧力を検出する圧力センサを更に備え、
   前記昇圧手段は、前記アノードガス流路のガス圧力が昇圧の目標値となるように前記レギュレータの開度を調整することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記アノード系流路はガス循環系であり、
   前記アノードオフガス流路から前記アノードガス流路にアノードオフガスを導入する循環装置を更に備えることを特徴とする請求項３又は４記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス循環系内のガスから水分を捕集する気液分離器を更に備え、
   前記排出弁は、前記気液分離器に接続され、前記気液分離器に捕集された水分を排出する機能及び前記ガス循環系内のガスを排気する機能を共に有することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記レギュレータは、
   前記アノードガス流路の前記アノードオフガス導入部上流に配置されることを特徴とする請求項５又は６記載の燃料電池システム。
8. 前記排出弁は、
   主としてガスを排気するための排気弁と、
   主として水分を排水するための排水弁と、を含み、
   前記排気処理手段は、前記不純物濃度が所定値に達した場合に前記排気弁を所定期間開弁し、
   前記制御手段は、前記排気弁を開いている期間の少なくとも一時期に、前記ガス圧力が通常時よりも昇圧するように前記昇圧手段を操作することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。

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